第二章-模拟调制系统..ppt

1、第2章 模拟调制系统,本章学习要求： 了解：调制的功能与分类 掌握：常规双边带调制(AM)信号的时域表示 掌握：AM信号的频域表示、功率和效率 掌握：AM的调制与解调 了解：抑制载波双边带调制信号 了解：单边带调制（SSB）和残留边带调制（VSB） 了解：非线性调制系统 了解：窄带频率调制NBFM 宽带调频WBFM 了解：窄带调相NBPM 宽带调相WBPM 了解：模拟调制系统的抗噪声性能 了解：线性调制系统的抗噪声性能 了解：非线性调制系统的抗噪声性能,2.1 调制的功能及分类,信道的概念：所有信号传输媒介的总称，用来将信号从发送设备传到接收设备。 信道的分类：,无线信道 电磁波（含光波） 有

2、线信道 电线、光纤,无线信道,信道的概念,明线,对称电缆：由许多对双绞线组成,同轴电缆,信道有多种多样，每种信道都只能传输某一类信号，怎么样让我们想传输的信号能够在信道中高效、可靠的传输？,调制的概念 所谓调制，就是把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。 具体的说，就是按照调制信号（基带信号）的变化规律去改变高频载波某些参数的过程。实质上是将调制信号的频谱从某个频率位置搬移到另一频率位置上。,调制信号 ：指来自信源的基带信号。 载波 ：未受调制的周期性振荡信号，它可以是正弦波，也可以是非正弦波。 已调信号 ：载波受调制后称为已调信号。 解调（检波） ：调制的逆过程，其作用是将已调信号中

3、的调制信号恢复出来。,2.1.1 调制的功能,把基带信号调制到较高的频率(一般调制到几百kHz到几百MHz甚至更高的频率)，使天线容易辐射； 便于频率分配：为使无线电台发出的信号互不干扰，每个发射台都被分配给不同的频率； 有利于实现信道多路复用，提高系统的传输有效性、 Internet技术的广泛应用； 可以减小噪声和干扰的影响，提高系统的传输可靠性。,2.1.2 调制的分类 （1）根据调制信号分类 模拟调制：调制信号是模拟信号的调制； 数字调制：调制信号是数字信号的调制。 （2）根据载波分类 连续载波调制：以正弦信号作载波的调制； 脉冲载波调制：以脉冲序列作载波的调制。载波信号是时间间隔均匀的

4、矩形脉冲。 （3）根据调制器的功能分类 幅度调制一一调制信号改变载波信号的振幅参数，即利用的幅度变化来传送的信息。如调幅(AM)、脉冲振幅调制(PAM)和振幅键控(ASK)等。 频率调制一一调制信号改变载波信号的频率参数，即利用的频率变化来传送的信息。如调频(FM)、脉冲频率调制(PFM)和频率键控(FSK)等。 相位调制一一调制信号改变载波信号的相位参数，即利用的相位变化来传送的信息。如调相(PM)、脉冲位置调制(PPM)、相位键控(PSK)等。,（4）根据调制前后信号的频谱结构关系分类 线性调制一一输出已调信号的频谱和调制信号的频谱之间呈线性关系，如(AM)、双边带调制(DSB)、单边带调

5、制(SSB)等。 非线性调制一一输出已调信号的频谱和调制信号的频谱之间没有线性对应关系，即已调信号的频谱中含有与调制信号频谱无线性对应关系的频谱成分，如FM、FSK等。,模拟通信系统模型,2. 2 线性调制系统,常规双边带调制系统(AM) (1)常规双边带调制(AM)信号的时域表示,设调制信号为f(t)，其平均值f(t)=0。f(t)叠加直流A0后对载波的幅度 进行调制，就形成常规调幅信号。 时间波形表达式为： sAM(t)=AC A+f(t) cos(ct+ c ) 其中 c为载波信号的角频率 c为载波信号的起始相位,一、常规调幅(AM)波形,一、常规调幅,调制波包络无失真条件 A |f(t

6、)|max时，SAM(t)的最小振幅总大于0，保证调幅波的包络与调制信号变化规律一致 A |f(t)|max时，会出现过调幅现象，若用包络检波进行解调，其结果就会失真,一、常规调幅（AM）,调幅系数或调制度 ma= ma1为过调幅,|f(t)|max,A,令载波初相为0时，已调信号为：,频域特性分析,若有：,则已调信号的频谱为：,载波幅度，已调信号的组成部分,已调信号的频谱图：,1. 形状相同，位置搬移； 2. AM信号含载波分量； 3. AM 信号是双边带信号，带宽 BAM=2W=2fH 4. 下边带是上边带的镜像,载频分量,载频分量,（2）常规双边带调制信号的频域表示 常规双边带调制信号的

7、频谱就是将调制信号的频谱减小一半后分别搬移到以为中心处，且在处还各有一个强度为的冲击分量，如图所示。,调幅信号的平均功率为：,功率特性分析,常规调幅信号的功率由载波功率Pc和边带功率Pf组成； 边带功率与调制信号有关，是有用功率： 载波功率？,因为,调制效率：边带功率与总功率之比，即：,当 时，有： 此时：,若 ，调制效率最大值为1/3。,常规调幅调制效率低，载波分量不携带信息却占用大部分功率！改进方案-抑制载波双边带调制,复习：AM调制,时间波形表达式为： sAM(t)=AC A+f(t) cos(ct+ c ),频域表达及频谱为：,AM调制信号的带宽为：,BAM=(fc+fm)-(fc+f

8、m) =2fm,复习：AM调制,AM调制信号的功率为：,ma= ma1为过调幅,|f(t)|max,A,调幅系数或调制度为,AM调制信号的调制效率为：,若 ，调制效率最大值为1/3,2.2.2抑制载波双边带调幅（DSB）,常规双边带调制的最大缺点就是调制效率低，其功率中的大部分都消耗在本身并不携带有用信息的直流分量上，如果将这个直流成分完全取消，则效率可以提高到100%，这种调制方式就是抑制载波双边带调制，简称DSB。 直接用f(t)调制载波的幅度 DSB信号的表达式 双边带信号的时间波形表达式： sDSB(t)= f(t) cos c t 相应的已调信号的频谱表达式： SDSB()= F(+

9、 c )+ F(-c ) /2,抑制载波双边带调幅波形 抑制载波双边带调幅频谱,反相点,观察并分析： 包络 频谱组成 带宽 调制效率,解调-AM（非相干和相干解调两种方法） （1）直接采用包络检波法-用非线性器件和滤波器分离提取出调制信号的包络，获得所需的信息，也称之为信号的非相干检波，其原理框图如图（a）所示。 （2）相干解调-通过相乘器将收到的信号与接收机产生的、与调制信号中的载波同频同相的本地载波信号相乘，然后再经过低通滤波，即可恢复出原来的调制信号，如图（b）所示。,解调-AM（非相干和相干解调两种方法） （1）非相干解调（解调器可以是包络检波器） 常规调幅信号（AM）一般采用非相干解

10、调 包络检波原理如下： 其中RC的取值范围为： 检波器的输出为：,解调 非相干解调（解调器可以是包络检波器） 常规调幅信号（AM）一般采用非相干解调 包络检波原理如下： 其中RC的取值范围为： 检波器的输出为：,解调-DSB（仅能通过相干解调） 相干解调：解调时所使用的载波与调制载波同频同相。 相干解调的关键：必须产生一个同频同相的载波 表达式如下： 经低通后，得到： 从而恢复了原有的调制信号。,DSB与AM信号的比较,DSB的调制效率：100 优点：节省了载波功率。 缺点：不能用包络检波，需用相干检波，较复杂。 双边带的上、下两个边带有什么关系？ 一个边带携带了调制信号的全部信息。 进一步改

11、进：单边带调制 进一步节省载波功率和带宽,随着性能的改善，技术复杂度也越来越高，实际应用时往往需要折衷取舍。,（3）单边带调幅（SSB）,用滤波法形成单边带信号 图中HSSB()为单边带滤波器的传递函数,仅利用一个边带传输信息的调制方式就是单边带调制，简称SSB,用滤波法形成单边带信号 上边带和下边带滤波器的传递函数分别为： 单边带信号的频谱: FSSB()=FDSB()HSSB(),用滤波法形成单边带信号（选学） 只有当f B时，滤波器方可实现 f 滤波器从通带到阻带的过滤带 B双边带的上、下边带之间的一定的 频率间隔,归一化值：反映滤波器衰减特性的陡峭程度 其中：f 滤波器过滤带， fc

12、单边带信号的载频,滤波器归一化值： 一般要求：10-3 否则，滤波就难以实现。,多级滤波法原理如下图所示(仅了解),其中： ，,用相移法形成单边带信号 由双边带信号的时域表达式得： 单频调制信号为 f(t)= Am cos m t 载波为 c(t)= cos ct 双边带信号的时域表达式为,上边带,下边带,用相移法形成单边带信号 保留上边带的单边带调制信号： 保留下边带的单边带调制信号：,相移法形成单边带信号原理如下图所示。 SSB信号第一项为同相分量，第二项为正交分量。 若调制信号为非周期信号，则通过希尔伯特变换实现SSB信号的产生。,单边带信号的解调（相干解调） 解调器由乘法器和低通滤波器

13、组成，要求接收端的本地载波与发送端载波完全同步,单边带信号的解调（相干解调） 由于输入信号为： 所以 经低通后输出为：,单边带调制分析,性能分析 SSB信号的实现比AM、DSB要复杂，但SSB调制方式在传输信息时，不仅可节省发射功率，而且它所占用的频带宽度比AM、DSB减少了一半。 它目前已成为短波通信中一种重要的调制方式。,单边带调制节省带宽和功率，实现困难 双边带调制容易实现，占用2倍带宽,折衷方案： 在实现难度和 占用带宽中折衷,（4）残留边带调制（VSB),残留边带调制： 对单边带和双边带调制进行折衷，即保留了一个边带的绝大部分和另一个边带的一小部分。 优点：避免实现上的困难 代价：输

14、出带宽介于SSB和 DSB信号的带宽之间。,（4）残留边带调制（VSB),残留边带信号的产生（采用滤波法） 时域表达式： sVSB(t)=sDSB(t)*hVSB(t) 频域表达式：,（4）残留边带调制（VSB)（选讲）,残留边带信号的解调（相干解调） 其输出为： = 为了相干解调时无失真的得到调制信号，残留边带滤波器的传递函数在载频分割处必须具备互补对称特性,相干解调输出信号的频谱为：,经低通后输出,整理合并，得,总 结,总结：各种线性调制的比较,AM调制 优点：解调简单，采用包络检波器 缺点：调制效率较低，传输带宽较宽 应用：广泛用于公共无线电广播 DSB调制 优点：功率利用率高 缺点：带

15、宽仍较宽，设备较复杂，接收要求同步解调 应用：常用于点对点专用通信，运用不广泛,总结：各种线性调制的比较,SSB调制 优点： 功率和频带利用率都较高 缺点： 设备复杂，接收要求有同频同相的相干载波 应用： 广泛用于短波远距离通信、大容量有线载波通信,总结：各种线性调制的比较,VSB调制 优点： 基本性能接近SSB，边带滤波器较SSB边带滤波器容易实现。 缺点： 解调要求有同频同相的相干载波 应用： 广播电视的视频调制 改进： 若发送时同时发送载频，接收可采用包络检波，简化接收机的电路。,23 非线性调制系统,231 一般概念 1、调制利用高频载波的三个参数（幅度、频率、 相位）之一携带调制信号

16、的信息。 2、线性调制使载波的幅度随调制信号发生线性变化。 3、非线性调制载波的瞬时频率或相位随调制信号线性变化，即控制载波的瞬时频率或相位变化，其变化 的周期由的频率决定，而幅度则保持不变的调制。 根据控制的是载波的角频率还是相位： 频率调制(Frequency Modulation)简称调频，记为FM； 相位调制（Phase Modulation），简称调相，记为PM。,2008.8,copyright 南航信息科学与技术学院,48,非线性调制,m (f ),sm (f ),频谱之间没有线性对应关系,PM与 FM的关系,1.PM的相位偏移随调制信号m(t)线性变化，FM的相位偏移随m(t)

17、的积分呈线性变化。 2.如果不知道调制信号m(t)，则无法从已调信号判断是调相信号还是调频信号。,232 频率调制(FM),1、依据瞬时相位偏移是否远小于0.5或 ,可划分为: 窄带调频（NBFM） 宽带调频（WBFM） 依据的数学表示式为： 或0.5，调频为窄带调频；否则为宽带调频。 2.3.2.1 窄带频率调制NBFM 1、时域表达式为： 2、窄带调频信号的频谱为： xcvxcvxc,a）、（b）、（c）分别为调制信号 、常规双边带调制信号 和窄带调频信号 的频谱。,单频调制时的常规调幅和窄带调频信号频谱,2.3.2.2 宽带调频WBFM,1、单频信号调制下的宽带调频信号 其中 称为第一类

18、n阶贝塞尔函数 。 2、单频调制时宽带调频信号的频谱为： 3 、由于调频信号只改变载波的频率疏密程度，而不改变其幅度，故调频前后信号的总功率不变，只是由调频前的信号功率全部分在载波上改为调频后分配在载频和各次边频分量上。,4、产生调频信号 (1)直接调频法 用调制信号直接控制高频振荡器的元件参数(一般都是电感或者电容)，使其振荡频率随着而变化。 最常用的变容二极管调频电路，就是利用变容二极管的容量随外加电压变化而改变的特性来改变输出振荡频率的。 (2)间接调频法 间接调频则是通过调相电路来产生调频信号的。 。,2008.8,copyright 南航信息科学与技术学院,78,FM与PM之间的联系,（a）直接调频 （b）间接调频,(c) 直接调相 (d) 间接调相,适用于宽带调制,适用于宽带调制,适用于窄带调制,实际相位调制器的调制范围有限,(1)最简单的非相干解调就是鉴频 (2)相干解调方式